I. Analyse globale et analyse par phase du comportement de l’acier 16MND5
I.5. Analyse des inclusions de cémentite approche directe
Il existe dans la littérature quelques études expérimentales qui ont visé à déterminer directement les déformations et les contraintes dans la cémentite en utilisant la diffraction des neutrons ou le rayonnement synchrotron : dans ce cas, les déformations sont toujours calculées à partir de la variation des distances interréticulaires. Par contre, la méthode utilisée pour l’analyse de contrainte dépend de la nature du rayonnement utilisé et du dispositif d’acquisition de données de diffraction. Pour le rayonnement synchrotron, la loi de Hooke généralisée est principalement utilisée. Pour les neutrons et quand le dispositif le permet, la
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méthode des sin2 est appliquée. Cette dernière est aussi liée à la loi de Hooke cependant elle exprime la contrainte dans le repère du goniomètre (voir chapitre II).
I.5.1 Déformations/contraintes dans la cémentite a) Déformations élastiques
Les profils des déformations élastiques des deux phases, ferrite et cémentite, d’un acier perlitique ont pu être déterminés directement, en utilisant les neutrons. L’avantage des aciers perlitiques réside dans leur fraction volumique de cémentite relativement importante (12 %) vis-à-vis de la diffraction. Les résultats montrent que les déformations des deux phases, déterminées selon différentes familles de plans {hkl}, restent proches dans le domaine élastique. Dans le domaine plastique, les déformations de la ferrite n’augmentent que légèrement alors que celles de la cémentite augmentent fortement : un transfert de charge a lieu de la matrice ferritique vers la cémentite [(Bonner, 1997), (Daymond, 2002)].
De plus, les déformations élastiques relatives à chaque phase augmentent linéairement avec les contraintes appliquées ; toutefois la pente obtenue dans le régime élastique est différente de celle obtenue dans le régime plastique : cela s’explique par la croissance des hétérogénéités des déformations/contraintes, lors du régime plastique. Il en résulte un ralentissement de l’évolution des déformations [(Oliver, 2004)].
b) Contraintes
Pour la détermination des contraintes, Van-Acker et al. [(Van-Acker, 1996)] ont quantifié les contraintes résiduelles dans les particules de cémentite par la méthode des sin2 en utilisant la diffraction des neutrons. Les hypothèses considérées dans leurs travaux sont :
les contraintes normale 33 et transverse 22 sont infiniment petites devant la
contrainte axiale, sens de la mesure : 22 = 33= 0
les constantes d’élasticité radiocristallographiques S1 et 1 2 S2 sont considérées
identiques pour les deux phases de l’acier : E et ν relatifs à la ferrite et la cémentite sont identiques
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Sous les mêmes conditions, Oliver et al. [(Oliver, 2004)] ont déterminé la contrainte atteinte pendant le chargement (au début du domaine plastique). Van-Acker et al. [(Van-Acker, 1996)] ont déterminé la contrainte résiduelle dans un échantillon tréfilé à froid. Les résultats obtenus ainsi sont résumés dans le tableau I-3.
Références fFe3C appliquée (MPa) ferrite (MPa) Fe3C (MPa)
[(Van-Acker, 1996)] 12 % (résiduelle) / 2300 [ (Oliver, 2004)] 20 % 595 420 1230
Tableau I-3. Estimation des contraintes dans la cémentite par diffraction des neutrons par la méthode des
Pour un acier biphasé (34 % de cémentite), dans les travaux de Young et al. [(Young, 2007)], la loi de Hooke (équations I.2 et I.3) a été utilisée pour déterminer la contrainte principale dans le sens axial et les deux contraintes principales relatives aux sens transverse et normal, pour les deux phases ferrite et cémentite.
(I.2)
(I.3)
(E, ν) sont respectivement le module d’Young et le coefficient de Poisson relatifs à la phase considérée. ( 11, 22, 33) et ( 11, 22, 33) sont les déformations élastiques et les contraintes
déterminées respectivement dans les trois directions principales : axiale, transverse et normale. Les contraintes déterminées à différentes déformations appliquées sont données dans le tableau I-4.
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appliquée (%) macro (MPa) ferrite (MPa) Fe3C (MPa)
0,2 720 710 670
0,7 (palier de Luders) 720 420 980 6,2 (déformation maximale) 1060 460 1630
Tableau I-4. Répartition des contraintes par phase - [(Young, 2007)]
La répartition des contraintes obtenue par Young et al. [(Young, 2007)] rejoint les précédents travaux d’Oliver et al. [ (Oliver, 2004)]. Les auteurs ont également montré que l’équilibre des contraintes (loi des mélanges) est vérifié dans leur cas d’étude.
I.5.2 Anisotropie de la cémentite
Le comportement anisotrope de la cémentite a été examiné expérimentalement dans les travaux d’Young et al. [(Young, 2007)]. Les déformations élastiques mesurées pour différentes familles de plans {hkl} relatives à la cémentite, ont été déterminées dans les domaines élastique et plastique, lors d’essais de traction.
En considérant les déformations élastiques déterminées pour différentes familles de plans {hkl}, les résultats montrent que la cémentite présente un comportement isotrope dans le domaine élastique : les profils de déformations mesurées pour les différents plans {hkl} sont proches. Dans le domaine plastique, une anisotropie par plan a été observée : lors du transfert de charge de la matrice vers la cémentite, certaines familles de plans sont beaucoup plus chargées que d’autre [(Young, 2007)].
L’anisotropie élastique (anisotropie relative au domaine élastique) de la cémentite a été mise en évidence par Nikolussi et al. [(Nikolussi, 2008)]. Les auteurs ont utilisé l’analyse monocristalline combinée à des travaux expérimentaux (analyse de contrainte par DRX). Leurs résultats montrent que les constantes élastiques (CER) S1 et ½ S2 déterminées sont fortement anisotropes. Par conséquent, les CER dépendent du plan (hkl) considéré ; un rapport de l’ordre de 1,7 est relevé entre les constantes du plan le plus rigide et celles du plan le moins rigide.
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I.5.3 Elasticité de la cémentite
Les examens réalisés directement sur la cémentite ont soulevé de nouvelles questions autour du comportement des carbures de fer. L’hypothèse que la cémentite présente un comportement purement élastique tout au long du cycle élastoplastique du matériau, est assumée et démontrée expérimentalement dans de nombreux travaux [(Daymond, 2002), (Tomota, 2003), (Oliver, 2004)]. Pourtant, dans d’autres travaux, un élargissement des pics de cémentite est observé. Les hétérogénéités des déformations (densité de dislocations, déformation non homogène pour les particules de cémentite contenues dans le volume diffractant), l’activité plastique ou encore l’endommagement des carbures peut expliquer ce phénomène. Il reste, cependant, difficile de montrer la contribution de chacune de ces raisons dans l’élargissement observé. Les auteurs Van-Acker et al. [(Van-Acker, 1996)] et Bonner et al. [(Bonner, 1997)] expliquent que les deux phases, ferrite et cémentite, contribuent à l’accommodation plastique (déformation plastique de la cémentite) et dans le cas de la cémentite lamellaire, les lamelles peuvent s’endommager. Weisser et al. [(Weisser, 2011)] montrent que la cémentite présente un comportement élastique durant le régime élastique et jusqu’au début du domaine plastique (macroscopique). L’élargissement des pics de diffraction dans ce cas est engendré par les hétérogénéités et/ou une localisation des déformations au niveau de certains carbures. Avec l’augmentation de la déformation appliquée, quand la déformation élastique de la cémentite atteint 1 %, l’activité plastique voire l’endommagement des carbures est engendré. Ces observations sont réalisées sur des particules sphériques et remettent en question l’hypothèse du comportement purement élastique de la cémentite.